DE1927090A1 - Batterie-Separator fuer ein wiederaufladbares alkalisches System - Google Patents

Batterie-Separator fuer ein wiederaufladbares alkalisches System

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DE1927090A1 DE19691927090 DE1927090A DE1927090A1 DE 1927090 A1 DE1927090 A1 DE 1927090A1 DE 19691927090 DE19691927090 DE 19691927090 DE 1927090 A DE1927090 A DE 1927090A DE 1927090 A1 DE1927090 A1 DE 1927090A1
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Description

  • Batterie-8eparator für ein wiederaufladbares alkalisches System Die vorliegende Erfindung betrifft einen Separator vom Sperr-Typ für ein wiederaufladbares alkalisches System. Der Separator enthält gemäß der Erfindung ein Metallsulfid. Der Separator ist besonders geeignet für Zellen, die Silberoxid als aktive Nasse enthalten. Das Metallsulfid reagiert mit den Metallionen oder Teilchen der aktiven Masse, die im Elektrolyten vorhanden sind, und verhindert dadurch, daß diese einen Kurzschluß in der Zelle verursachen. Der Separator kann auch ein thermoplastisches Harz als Bindemittel und Kationenaustauscherharz zur Erhöhung der Durchlässigkeit enthalten. Die Metallsulfid-Nasse kann zu einem belbattragenden diinnen Film geformt werden, oder sie kann als Beschichtung auf einem Trägerstoff angewandt werden.
  • Es ist auf dem technischen Gebiet der alkalischen Batterien bzw. Akkumulatoren bekannt, daß gewisse aktive Nassen der Elektroden wie Silberoxid im alkalischen Elektrolyten leicht ldslich sind. Deshalb können Metallionen und/oder kolloidale Partikel der aktiven Masse im alkalischen Elektrolyten vorhanden #ein und sich auf der Elektrode mit entgegengesetzter Polarität niederschlagen, wodurch ein Kurzschluß und eine Selbstentladung der Zelle verursacht wird. Das Standardverfahren zur Kontrolle dieses Problems besteht darin, einen Separator zwischein die Elektroden anzubringen. Das Separator-Material ist für die Eledtrolyt-Ionen durchlässig. Es besitzt Jedoch eine kontrollierte oder beschränkte Durchlässigkeit für die Metallionen und kolloidalen Partikel. Cellulosische Stoffe wie Cellophane werden in der Regel als Separator->laterial angewandt. Die Netallionen oder Teilchen der aktiven Nasse der Elektroden, die im Elektrolyten vorhanden sind, durchdringen jedoch das cellulosische Material und beschleunigen dessen Oxydation und die dadurch verursachte Zerstörung. Eines der Produkte der Oxydations-Reduktions-Reaktion zwischen dem cellulosischen Material und den Metallionen der aktiven Nasse ist das elementare Metall, das hoch leitfähig ist und dazu neigt, einen Kurzschluß-Pfad durch das Separator-Material zu bilden. Es sind viele Versuche unternommen worden, die Oxydations-Widerstandsfähigkeit der cellulosischen Separator-Materialien zu verbessern. Keiner dieser Versuche hat sich jedoch als vollständig zufriedenstellend erwiesen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt in erster Linie die jufgabenstellung zugrunde, einen verbesserten 8eparator für eine wiederaufladbare alkalische Zelle zu finden, der einer Durchdringung der im alkalischen Elektrolyten vorhandenen Netallionen oder kolloidalen Partikel des aktiven Materials widersteht. Der nachfolgenden Beschreibung der vorliegenden Erfindung können noch weitere Aufgabenstellungen und Gedanken, die der Erfindung zugrunde liegen, entnonien werden.
  • Es wurde nun ilberrascbenderveise gefunden, daß ein Separator, der eine wesentliche lunge eines Metallsulfides enthält, besonders wirdsam dahingehen ist, einen Kurzschluß oder eine Penetration des separators durch Metallionen und/oder kolloidale Partikel der aktiven Masse zu verzögern, die im Elektrolyten der wiederaufladbaren alkalischen Zellen vorhanden sein können. Das Metallsulfid, das in separator goS ß der Brfindung angewandt wird, soll in wesentlichen in alkalischen Elektrolyten unlöslich sein, und es rollt. vorzugsweise mit den Metallionen und/oder kolloidalen Partikoln der aktiven Masse, die im ELektrolyten vorhanden sind, unter Bildung eines Reektionsproduktes reagieren, das ebenfalls im alkalischen Elektrolyten im wesentlichen unlöslich ißt. Außerdem sollte das Metallsulfid im wesentlichen nicht leitend sein. Beispiele für Metallsulfide, die gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, sind Cadmiumsulfid, Nickelsulfid, Bleisulfid, Eisensulfid (Ferro- und Ferri-), Quecksilbersulfid und Zinksulfid..Das Problem der Wanderung der Metallionen und/oder kolloidalen Partikel -ist besonders störend in wiederaufladbaren alkalischen Systemen, bei denen als positive aktive Nasse Silberoxid verwendet wird. In diesen Systemen sind Separatoren, die -ein Metallsulfid enthalten, besondere wirkungsvoll. Sie können jedoch auch in irgendwelchen anderen alkalischen Systemen verwendet werden. Da ein Versagen des Separatora im allgemeinen der die Lebensdauer beschränkende Faktor inwiederaufladbaren alkalischen Systemen ist, ergibt der neue Netalleulfide enthaltende Separator gemäß der vorliegenden Erfindung eine längere Zyklus-Lebensdauer (d.h. es sind mehr Zyklen möglich), und es wird eine größere Gessmtkapazität erzielt. Im allgemeinen ist es bevorzugt da. Metallgulfid derart auszuwählen, daß es einen Separator ergibt, der mit den ii Elektrolyten vorhandenen Metallionen oder --Teilchen der aktiven Masse unter Bildung eines Reaktionsproduktes reagiert, das ein schlechter elektrischer Leiter wie Silbersulfid ist, da dadurch die Wirksamkeit des Separators als -elektronische.
  • Sperre erhöht wird.
  • Die Metallsulfide enthaltenden Separatoren können auch beoondere nützlich sein bei alkalischen Batterie-Systemen, die erhöhten Temperaturen ausgesetzt werden, da die höheren Temperaturen die buflöaungsgeschwindiglret der aktiven Elektrodenmassen erhöhen und dadurch eine höhere Konzentration der Memillionen oder -Teilchen der aktiven Nasse im alkalischen Elektrolyten hervorrufen können. Die nachfolgende ins einzelne gehende Beschreibung und die Beispiele betreffen in erster Linie alkalische Silber-Cadmium-Systeme, ul die gemäß der vorliegenden Erfindung erzielten Vorteile zu erläutern.
  • Die Erfindung soll aber hierauf nicht beschränkt sein.
  • Zur Herstellung eines Metallsulfid enthaltenden Separators in Form eines trägerlosen dünnen Filmes wird ein Netalloulfid, das im wesentlichen unlöslich im alkalischen Elektrolyten ist, mit einem thermoplastische. Harz-Bindemittel unter Herstellung eines Gemisches vermengt. Dieses kann dann zu einem dünnen Film verformt werden, der zur Verwendung als Separator geeignet ist. Das thermoplastische Harz, das als Bindemittcl für das Metallsulfid verwendet wird, muß ebenfalls gegenüber dem Elektrolyten beständig sein, d.h. es muß in alkalischer Lösung hydrolysebeständig sein. Zusätzlich ist es bevorzugt, daß das als Bindemittel verwendete thermoplastische Harz eine Schmelze mit verhältnismäßig niedriger Viskosität ergibt, wenn eo unter Erwärmung und Einwirkung von Druck mit dem Netallsulfid vermischt wird, damit das Gemisch leicht verarbeitet werden kann. Beispiele für thermoplastische Harze, die sich als zufriedenstellend in diesem Sinne erwivesn haben, sind Polyäthylen, Polyäthylen-Polymethacrylsäure-Copolymere und Butadien-Styrol-Elastomere.
  • Um die Durchlässigkeit des Metallsulfid-Separators zu verbesseren und damit seinen Ohmschen Widerstand zu vermindern, werden bevorzugt etwa 15 bis etwa 60 % eines Kationenaustauscherharzes (bezogen auf das Gesamtgewicht von Metallsulfid, thermoplastischem Harz und Kationenaustauscherharz) zu dem Gemisch aus Metallsulfid und thermoplastischem Harz gegeben.
  • Das Kationenaustauscherharz kann entweder vom stark sauren typ sein, wie ein Harz, das Sulfonsäuregruppen enthält. Be kann such vom schwach sauren Typ sein, wie pulverisierte Polymethacrylsäure. Es ist bevorzugt, die Teilchengröße des Kationenaustauscherharzes zu der eines feinen Pulvers herabzusetzen, indem es durch eine Mikropulverisiermühle geleitet wird, bis es in das Gemisch aus Metallsulfid und thermoplastischem Harz eingearbeitet wird. Außerdem kann ein wowerlösliches Kunstharz wie Polyäthylenozid oder ein anderes Polymerisat auf Basis von Äthylenoxid zum Gemisch aus Metallsulfid und thermoplastischem Harz gegeben werden, um dessen Plastisität zu erhöhen, das Nischen zu erleichtern und während der Äquilibrierung Platz zu liefern für die Ausdehnung des Ionenaustauscherharzes. Diese wasserlöslichen Zusatzstoffe erhöhen nicht die Widerstandsfähigkeit des Separator., da nie nach der Verformung weitgehend aus dem Gemisch entfernt werden, da dieses einer Wasser-Auslaugungsbehandlung unterworfen wird.
  • Nachdem die Nasse aus Netallsulfid, thermoplastischem Harz und Kationenaustausoherharz gründlich durch Erwärmen und Mahlen in einer Kunststoffmühle vermischt worden war, wird es auf beliebige geeignete Art und Weise zu einem dünnen Film verformt.
  • Typische Verfahren, die hierzu angewandt werden können, sind das Verfilmen, Kalandrieren, Extrudern oder Walzen.
  • Nachdem der dünne Film hergestellt und falls erwünscht oder erforderlich auf einen Trägerkörper laminiert wurde, wird er in ein Bad aus Wasser gegeben, um die wasserlöslichen Kunststoffe (falls solche dem Gemisch zugesetzt worden sind) zu entfernen. Anschließend wird der Film in einer alkalischen Ibsung äquilibriert. Es wurde gefunden, daß Filme mit einer maimalen Quellung und einem möglichst geringen elektrischen Wi.
  • derstand durch eine Hochtemperatur-Äquilibrierung in verdünnter alkalischer Lösung erhalten werden. Eine über etwa 700 a liegende Äquilibrierungstemperatur kann jedoch eine übermäßige Quellung hervorrufen, die sich in Blasen an der Oberfläche des Film. äußert. Ein Äquilibrierungsbad aus einer 5 , KOH-Lösung, das auf etwa 500 C gehalten wurde, hat sich als sufriedenstellend erwiesen. Nach der Äquilibrierungs-Behandlung wird der Film getrocknet. Er ist dann fertig zur Verwendung als Separator in einer alkalischen Batterie.
  • Ein anderes Verfahren zur Herstellung von Netallsulfid enthaltenden Separatoren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Beschichten von einer oder beiden Seiten eines Trägerkörpers mit einer Metalsulfid-Masse. Beispiele für geeignete Trägerkörper sind Nylon-Netze und Cellophanfilme, wie sie in konventioneller Weise als Separator-Naterialien in alkalischen Zellen verwendet werden. Die Metallsulfid-Beschichtungs-Masse kann ein härtbares Harz-Bindemittel und einen Härter dafür enthalten, um das Metallaulfid an das Substrat zu binden. Es kann zusätzlich erforderlich sein, ein Kationenaustauscherharz in die Beschichtungsmasse einzuarbeiten, um die nötige Durchlässigkeit zu erhalten. Die Beschichtungamasse kann kalandriert oder in anderer Weise auf das Substrat verteilt und darauf gepreßt werden. Falls erforderlich kann die Beschichtungsmasse gehärtet werden, um eine feste Verbindung zwischen dem Metallsulfid und dem Substrat zu erhalten. Ein alternatives Verfahren zum Beschichten eines Substrates ist die Herstellung einer Lösung des Netalisulfides in einem Lösungsmittel, die auf einen Trägerfilm durch Imprägnieren, Aufsprühen oder Eintauchen des Filmes in die Lösung aufgetragen werden kann.
  • Die folgenden Beispiele erläutern die Herstellung eines Metallsulfid enthaltenden Separator-Materials und den Wcnoteil, der erzielt wird, wenn dieses als Separator in einer wiederaufladbaren alkalischen Silber-Cadmium-Zell e verwendet wird.
  • Es wird bemerkt, daß Silber-Oadnium-0Knopf'-Zellen für diese Versuche verwendet wurden. Die Bedingungen in diesen kleinen Zellen, eine hohe Sauerstoffkonzentration und eine verhältnismäßig trockene itmdsphäre (kein freier Elektrolyt), betonen das Problem der Separator-Oxydation.
  • Beispiel 1 Ein Metallsulfid-Separator-Material wurde aus der folgenden Mischung hergestellt: Bestandteil Menge (Gewichtsprozent) Polyäthylen (DYNK) 24.5 Cadmiumsulfid (CdS) 20.4 Polymethacrylsäure (XE-97) 55.1 Die Bestandteile wurden in trockener Form (ohne Lösungsmittel) in einer Kunststoffmühle vermischt, die auf etwa 1200 C gehalten wurde. Nach gründlichem Mischen wurde die Nasse kalandriert, um Folien mit einer Stärke von etwa 6 mile hersugtellen. In diesem besonderen Fall wurde die Folie ohne irgendeinen Trägerstoff hergestellt. Nach abkühlen auf Zimmertemperatur wurde die Folie in einer 40 zeigen Kaliumhydroxidlösung äquilibriert. Dies führte zu einer Expansion der Folien-Stärke von 6 mtls auf 19 milde.
  • Beispiel 2 Das Cadmiumsulfid-Material von Beispiel 1, das zur Erhöhung der Durchlässigkeit Polymethacrylsäure-Kationenaustauscherharz enthielt, wurde hinsichtlich einer Brauchbarkeit als Separator in einem alkalischen Batteriesystem untersucht und verglichen mit anderen bekannten Separator-Materialien. Zur Ausfühurng dieser Versuche wurden wiederaufladbare alkalische Silber-Cadmium-Knopf-Zellen verwendet.
  • Es wurde ein 12 Stunden-Zyklus durchgeführt. Die Zellen wurden 10 Stunden lang bei Spannungen zwischen 1. 55 und 1 60 Volt geladen, wobei ein Ladegerät mit konstantem Potential verwendet wurde, das derart eingestellt war, daß es einen nafimalen Strom von 0.07 Amp. suließo Die Zellen wurden 2 Stunden lang bei 0.15 Amp. entladen. Dies entspricht etwa 70 % der Zellen-Kapazität bei der gewählten Entladungsgeschwindigkeit. Die Zellen wurden dem Zyklus unterworfen, bis ein Kurzschluß die Durchführung weiterer Zyklen verhinderte. Die folgenden Ergebisse wurden ermittelt.
  • Trocken-Film- Naß-Film- Anzahl Gesamt-Ah Separator stärke (Zoll) stärke der (Zoll) Zyklen Polyäthylen (Permion 300) .006 .006 39 11.7 Cellophan (PUD 0300) .0036 .012 88 26.4 Mit Silber behandeltes Cellophan (PUD 0300) .0036 .012 76 22.8 Faserige Wursthaut (Fibrous Sausage Casing) .0055 .014 66 19.8 Mit Silber behandelte faserige Wursthaut -.-0055 .014 96 28.8 Cadmiumsulfid .006 .019 251 75.3 Diese Ergebnisse zeigen eindeutig die außergewöhnliche Überlegenheit des Cadmiumsulfid-Separator-Materials in einer alkalischen Batterie, die eine positive Silberelektrode hat.
  • Beispiel 3 Um die Feststellung der Zyklus-Lebensdauer gemäß Beispiel 2 zu ergänzen, wurde eine Zelle unter Verwendung des Separator I4aterials von Beispiel 1 hergestellt, und diese wurde dem Lager-Test bei erhöhter Temperatur ausgesetzt. Die Zelle wurde 3 mal den Lade-Entlade-Zyklen ausgesetzt, wobei eine 0.100 Amp. Entladungsgeschwindigkeit angewandt wurde. Dann wurde sie in einen auf 710 o geheizten Ofen gestellt. Nach 14-tägiger Aufbewahrung bei erhöhter Temperatur wurde die Zelle aus dem Ofen genommen, die Leerlaufspannung wurde gemessen, und sie wurde dann bei 0.100 Amp. bis zu einer End-Entladespannung von 0.70 V entladen. Die Kapazität am Ende dieser Lagerzeit wurde geteilt durch die Kapazität vor der Lagerung, um die prozentuale Kapazitäts-Beständigkeit zu ermitteln. Nach 14-tägiger Lagerung bei 710 c (einem sehr harten Test) behielt die Zelle 92.3 % seiner Kapazität. Dies ist ein besonders außergewöhnliches Ergebnis.
  • Beispiel 4 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Cadmiumsulfid-Separator-Naterial hergestellt: Bestandteil Menge (Gewichtsprozent Polyäthylen (Alathon 14) 21.4 Polyäthylenoxid (WSR-35) 7.2 Cadmiumsulfid (CdS) 42.9 Polymethacrylsäure (XE-97) 28.5 Die Bestandteile werden in trockener Form in einer Kunststoffmuhle (auf Walzen), die auf etwa 1210 C gehalten wurden, vermischt. Nach gründlichem Mischen wurde die Masse unter Bildung einer Folie kalandriert, die auf beide Seiten eines Nylon-Maschensiebes als Trägerstoff gepreßt wurde. Diese von Nylon getragene Folie hatte eine Trocken-Filmdicke von 8 milde. Die Folie wurde mehrere Stunden lang (über Nacht) in ein kaltes Wasserbad getaucht, um das Polyäthylenoxid zu entfernen, welches zur Plastifizierung der Nasse während des Mischens zugefügt worden war. Nach Entfernung des Polyäthylenoxides wurde die folie in einer 40 zeigen Kai iumbydroxid lösung äquilibriert. Dies führte zu einer Expansion der Polien-Stärke von 8 mils auf 20 mils.
  • Dieses Material wurde als Separator getestet in 3 alkalischen Silber-Oadmium-Knopf-Zellen gemäß dem Verfahren, das im Beispiel 2 beschrieben wurde. Eine einzige Schicht des Materials wurde als Separator verwendet. Alle drei Zellen ergaben 183 Zyklen. Dies entspricht 54.9 Ah.
  • Beispiel 5 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Cadmiumsulfid-Separator-Naterial hergestellt: Bestandteil Menge (Gewichtsprozent) Polyäthylen (Alathon 14) 16.7 Polyäthylenoxid (WSR-35) 5,6 Hadmiumsulfid (CdS) 33.3 Kationenaustaus cherharz vom Sulfonsäuretyp (lE 69) 44.4 Die Bestandteile wurden in trockener Form auf einer Kunststoffmühle (Walze), die auf etwa 1210 C gehalten wurden vermischt.
  • Nach gründlichem Mischen wurde die Masse unter Bildung einer Folie kalandriert, die auf beide Seiten eines Nylon-Maschensiebes als Trägerkörper aufgepreßt wurden. Diese Folie hatte eine Trocken-Folienstärke von 9 mils. Die Folie wurde mehrere Stunden lang (über Nach in ein kaltes Wasserbad getaucht, um das Polyäthylenoiid zu entfernen. Nach Entfernung des Polyithylenoxides wurde die Folie in einer 5 % KOH-Lösung äquilifriert, die auf etwa 510 C gehalten worden war. Die Foliendicke erhöhte sich von 9 mils auf 13 mils.
  • Dieses Material wurde als Separator in drei alkalischen Silber-Cadmium-Knopf-Zellen gemäß dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren getestet. Eine einzige Schickt des Materials wurde -in jeder Zelle verwendet0 Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten: Zelle Nr. Anzahl der Zyklen Gesamt-Ah 1 189 56.7 2 - 224 67.2 3 224 - 7.2 Diese Versuche beweisen die außergewöhnliche Zyklus-Lebensdauer, die bei einer wiederaufladbaren alkalischen Zelle bei verwendung eines Cadmiumsulfid-Separator-Materials erzielt wird.
  • Beispiel 6 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Cadmiumsulfid-Separator-Material hergestellt; Bestandteil Menge (Gewichtsprozent) Polyäthylen (Alathon 14) 17.6 Polyäthylenoxid (WSR-35) i108 Cadmiumsulfid (CdS) 3503 Kationenaustauscherharz vom Sulfonsäuretyp (XE 69) 35.3 Die Bestandteile wurden in trockener Form auf einer Plastikmühle (Walze) vermischt, die auf etwa 1210 G gehalten worden war. Nach gründlichem Vermischen wurde die Masse unter Bildung einer Folie kalandriert, die auf beide Seiten eines faserigen Polyäthylen (Pellon)-Trägerkörpers aufgepreßt wurde. Die Folie hatte eine Trockenfolienstärke von 10 mils. Die Folie wurde mehrere Stunden-lang (über Nacht) in ein kaltes Wasserbad eingetaucht, um das Polyäthylenoxid zu entfernen. Nach Entfernung des Polyäthylenoii?dec iurde die Folie heiß in einer 5 % KOH-Lösung, die auf etwa 51°C gehalten wurde, äquilibriert. Die Folienstärke erhöhte sich von 10 mils auf 14 mils.
  • Dieses Material wurde als Separator in 2 Silber-Cadmium-Knopf-Zellen gemäß des in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren gQ-testet. Es wurde in jeder Zelle eine einzige Schicht dieses Materials verwendet. Beide Zellen lieferten 283 Zyklen. Dies entspricht 84.9 Ah. Diese außergewöhnlichen Ergebnisse beweisen die Überlegenheit des Cadmiumsulfides als Separator-Material für alkalische Zellen.
  • Beispiel 7 Aus den fogenden Bestandteilen wurde ein Separator-Material unter Verwendung von Nickelsulfid als Metallsulfid hergestellte Bestandteil Menge( Polyäthylen (DYNK) 50 Nickelsulfid (NIS) 75 Polymethacrylsäure (XE-97) 120 Die Bestandteile werden in trockener Form auf einer Plastikmtihle (Walze), die auf etwa 1210 C gehalten wurde, vermischt.
  • Nach gründlichem Vermischen wurde die Masse unter Bildung eines trägerlosen Filmes von 6 mil Stärke kalandriert. Nach Abkühlen auf Zimmertemperatur wurde die Folie in einer 40 *-igen Kaliumbydroxidlösung äquilibriert. Das hatte eine Expansion zu einer Filmstärke von 19 mil zur Folge.
  • Dieses Nickelsulfid-Material wurde als Separator in 2 Silber-Cadmium-Knopf-Zellen gemäß dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren getestet. In jeder Zelle wurde eine einzige Schicht des Materials verwendet. Beide Zellen ergaben 77 Zyklen. Dies entspricht 23.1 Ah.
  • Beispiel 8 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Separator-Material unter Verwendung von Zinksulfid als MetaLlsulfid hergestellt: Bestandteil Nenge (g) Polyäthylen (Du) 60 Zinksulfid (ZnS) 50 Polymethacrylsäure (lE-97) 110 Die Bestandteile wurden in trockener Form auf einer Plastikmühle (Walze), die auf etwa 1210 o gehalten wurde, vermischt.
  • Nach gründlichem Vermischen wurde die Masse unter Herstellung eines trägerlosen Films mit einer Stärke von 6 mil kalaedrierte Nach ibkmiien auf Zimmertemperatur wurde die Folie in 40 ?iger Kaliumhydroxidlösung äquilibriert. Das hatte eine Expansion zu einer Filmstärke von 19 mil zur Folge.
  • Das Zinksulfid-Material wurde als Separator in einer Silber-Cadmium-Knopfezelle gemäß dem in Beispiel 2 beschriebenen Verfahren untersucht. Die Zelle ergab 41 Zyklen. Dies entspricht 12.3 Ah. Diese Zelle zeigte also eine wesentlich geringere Kapazität als die unter Verwendung von Oadmiumsulfid als Separator-Naterial hergestellten Zellen. Dies ist jedoch zu erwarten, da das Zinksulfid eine größere Löslichkeit im alkalischen Elektrolyten besitzt.
  • Beispiel 9 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Cadmiumsulfid-Separator-Material unter Verwendung eines Styrol-Butadien-Copoly merisats als Kunststoffbinder hergestellt: Bestandteil zu Bestandteil Nenge Styrol-Butadien (Thermolastic 200) 100 Cadmiumsulfid (CdS) 150 Kationenaustaus cherharz vom Sulfonsäure-2yp (IRF-66M) 300 Diese Bestandteile wurden in trockener Form auf einer Kunststoffmühle (Walze), die auf etwa 1210 C gehalten wurde, vermischt. Nach gründlichem Vermischen wurde die Masse zu einer Folie mit einer Stärke von 13 mils (trocken) verfilmt. Nach Benetzen mit einem 40 ffi EOH-Elektrolyten expandierte diese zu einer Stärke von 16.1 mils.
  • Dieses Material wurde als Separator verwendet, um dann die Zyklus-Lebendauer von Silber-Cadmium-Knopf-Zellen zu testen Während des Tests wurde eine Schicht aus saugfähigem Nylon-Material auf jede Seite des Cadmiumsulfid-Separators vom Sperrtyp neben den Silber- und Oadmium-Elektroden gelegt. Der Zweck dieses saugfähigen Stoffes bestand darin, Elektrolyten zurückzuhalten und die Elektroden während des ?Lade-Entladezyklus der Zelle naß zu halten. Zum Testen dieser Zellen wurde eine wesentlich abweichende Zyklus-Technik angewandt. Die Zellen wurden automatisch 1 Stunde lang durch eine 6. 1 Ohm-Belastung entladen. Diss entspricht etwa 30 % Entladung. Dann wurden die Zellen automatisch 5 Stunden lang bei einem konstanten Potential von 1.62 Volt parallel jeder Zelle mit einem 4.0 Ohm-Widerstand in Serie geladen. Durch diesen automatischen 1 Stunden-Entladung s- 5 Stund en-ladung s-Zyklus waren 4 Zyklen pro Tag möglich. rille 2 Wochen wurde von Hand die Kapazität untersucht. I)abei wurden die Zellen durch einen 6.1 Ohm-Widerstand bis auf eine Spannung von 0.6 Volt ( etwa eine 100 %-ige Entladung) entladen Die Zellen worden dann 16 Stunden lang unter den automatischen Ladebedingungen geladen und in den automatischen Zyklus eingeführt.
  • In diesem Zyklus-Lebensdauer-Test mit dem oben beschriebenen Cadmiumsulfid-Separator-Material wurden 5 Zellen untersucht, die eine durchschnittliche Lebensdauer von 780 Zyklen hatten.
  • Beispiel 10 Aus den folgenden Bestandteilen wurde ein Separator-Material unter Verwendung eines Äthylen-Methacrylsäure-Copolymerisats als Kunststoffbindemittel hergestellt: Bestand teil Menge(g) Äthylen-Methacrylsäure-Copolymer (Surlzn Bj 75 Cadmiumsulfid (CdS) 150 Polyäthylenoxid (WSR 35) 25 Kationenaus tauscherharz vom sulfonsäuretyp (IRF-66M) 300 lis Bestandteile wurden in trockener Form auf einer Kunststoffmühle (Walze); die auf etwa 1210 C gehalten wurde, vermischt.
  • Nach gründlichem Vermischen wurde die Masse zu einer Folie verformt, Anschließend wurde diese über Nacht in kaltes Wasser getaucht, um das Polyäthylenoiid zu entfernen.
  • Dieses Material wurde hinsichtlich seiner Zyklus-Lebensdauer wie im Beispiel 9 beschrieben getestet, wobei der gleiche automatische 6 Stunden-Entlade-Lade-Zyklus angewandt wurde.
  • 5 Zellen wurden auf ihre Zyklus-Lebensdauer getestet Diese hielten 1330 Zyklen aus und sind immer noch im Test.
  • Mehrere Silber-Cadmium-Kopf-Zellen mit Cadmiumsulfid-Separatoren, die in einem Lebensdauer-Test Lade und Entlade-Zyklen unterworfen worden waren, wurdan geöffnet, und die Cadmium sulfit-Separatoren wurden untersucht. Mikrofotographien ergaben, -daß auf der Seite der Silber-Elektrode des Separators eine Schicht aus metallischem Silber vorlag. Das Innere des Separators enthielt eine Schicht aus Silbersuliid ((Ag2S).
  • Die der Cadmiumelektrode zugekehrte Seite des Separators enthielt eine Schicht aus nicht reagiertem Cadaiumsulfid.
  • Dieses Ergebnis unterstützt die Theorie, daß das im Separator vorhandene Cadmiumsulfid die Silberionen und/oder kolloidalen Partikel, die im Eleitrolyten vorhanden sind , abfängt und mit dem Silber unter Bildung von Silberstilf'id reagiert. Dies zeigt klar, daß die Metallsulfide enthaltenden Separatoren gemäß der Erfindung besonders wirksame Sperr-Typ-Separatoren für wiederaufladbare alkalische Zellen sind, P a t e n t a n s p r ü c h e:

Claims (13)

  1. I'aterltxlßprUche: 1. Batterie-Separator für ein wiederaufladbares alkalisches System, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß er eine wesentliche Menge eines Iletallaulfides enthält, das im alkalischen Elektrolyten im wesentlichen unlöslich und im wesentlichen nicht leitend ist.
  2. 2. Separator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfid Cadmiumsulfid ist.
  3. 3. Separator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfid Nickelsulfid ist.
  4. 4. Separator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dsßdas Metallsulfid Bleisulfid ist.
  5. 5. Separator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfid Eisensulfid ist.
  6. o. Separator gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfid Quecksilbersulfid ist.
  7. 7. Separator gemäß Ansprüchen 1 bis u, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein thermoplastisches Harz als Bindemittel für das Metallsulfid enthält.
  8. 8. Separator gemäß Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er zusätzlich ein Kationenaustauscherharz vom sauren Typ enthält.
  9. 9. Separator gemäß Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er ein Kationenaustauscherharz in einer Menge von etwa 15 bis etwa 60 Gewichtsprozenten bezogen auf du Gesamtgewicht von Netallsulfid, thermoplastischem Harz-Bindemittel und Kationenaus tauscherharz enthält.
  10. 10. Alkalische Zelle mit einer positiven Elektrode, einer negativen Elektrode, einem alkalischen Elektrolyten und einem Separator zwischen der positiven und der negativen Elektrode, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator ein Sperr-Typ Metallsulfid enthaltender Separator ist.
  11. 11. Alkalische Zelle gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die positive Elektrode aktive Silberoxld-Masse enthält.
  12. 12. Alkalische Zelle gemäß Ansprüchen 10 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsulfid Cadmiumsulfid isto
  13. 13. Alkalische Zelle gemäß Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Separator zusätzlich ein Bindemittel aus thermoplastischem Harz und ein Kationenaustauscherharz vom sauren yp enthält.
DE691927090A 1967-01-06 1969-05-28 Separator für einen alkalischen Akkumulator Expired DE1927090C3 (de)

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